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Funktionsweise der Solarzelle

Begriffserklärung PV

Solarzellen werden in einer Solaranlage benötigt. Bei dem Begriff "Solaranlage" meint man in aller Regel eine Anlage zur Erzeugung von elektrischen Strom. Die Bezeichnung "Solaranlage" ist jedoch nicht ganz eindeutig, denn es könnte sich auch um eine Anlage handeln, die Wärme (also mittels der Sonnenwärmestrahlung) zur Verfügung stellt. In dem Falle wäre die Bezeichnung Solarthermieanlage korrekter. Der Begriff "Solaranlage" ist also allgemein für eine Anlage, welche die (solare) Energie der Sonne nutzt. Dies kann Wäre oder Strom sein. Bei einer Stromerzeugung aus der Sonne spricht man deshalb besser von einer "Photovoltaikanlage".

Hintergrundwissen

Also, diese Photovoltaikzellen (PV Zellen) z.B. mit einer Größe von 10 cm x 10 cm sind in sogenannten PV Modulen z.B. mit einer Größe von 1,5 Meter x 1 Meter zusammen geschaltet. Dieses Modul besteht je nach verwendeten Zellentypen (Solarzellentypen) also aus mehreren Solarzellen. Jede Solarzelle erzeugt ca. 0,5 Volt. Somit müssen viele Zellen in Reihe geschaltet werden. Generell wird alleine aus technischer Sicht, aus Sicht des Wirkungsgrades immer versucht, die Spannung so hoch wie möglich zu setzen, einfach weil die Verluste aufgrund Spannungsabfälle in den elektrischen Leitungen dann prozentual niedriger sind. Jedes PV Modul wiederum wird nun wieder mit weiteren PV Modulen zu einer PV Anlage zusammen geschaltet. Die PV Anlage ist also das "Ganze". Zur PV Anlage gehören aber nicht nur die Stromerzeugenden Komponenten (Solarzellen, Solarmodule), sondern auch die Montagematerialien, Kabel, natürlich der Wechselrichter, der den Solarstrom (Gleichstrom) in netzkonformen Wechselstrom umrichtet.

Die Funktionsweise einer PV Zelle

Eine PV Zelle besteht prinzipiell aus zwei kristallinen Siliziumschichten (siehe folgende Abbildung). Diese werden durch Fremdatome verunreinigt. Für die sogenannte positive Dotierung verwendet man Bor, für die negative Dotierung wird üblicherweise Phosphor herangezogen. Zwischen den Schichten gibt es einen pn Übergang, quasi eine Art Isolierungschicht. Treffen nun energiereiche Photonen, also möglichst helles Licht, auf die Siliziumatome in der Oberfläche, dann werden damit Elektronen aus Ihrer Bindung gelöst. Damit wird eine Teilung der Ladungsträger eingeleitet. Somit springen nun Elektronen in die N-Zone, und in der P-Zone entsteht ein "Loch", weil dort nun weniger Elektronen sind. Am positiven und negativen Pol der Zelle, die mit den N und P Schichten verbunden sind, lassen sich nun die geteilten Ladungen in Form von Gleichstrom/Spannung abzapfen und nutzen. Damit überhaupt Strom abgenommen werden kann, muss ein internes elektrisches Feld vorhanden sein. Das ist die Stunde des p-n Überganges, an dem dieses Feld aufgebaut ist.

Die unötige Diskussion um die Energiebilanz.

Eine PV Zelle gehört zur Gruppe der sogenannten Erneuerbaren Energieerzeuger. Es wird immer wieder darüber diskutiert, ob die Energieerzeugung aus Alternativer Energie (Stromerzeugung aus Solarzellen, oder Stromerzeugung aus Windkraftanlagen, usw.....) eine sogenannte positive Energiebilanz hat. Inzwischen ist eindeutig bewiesen, das sich Solarzellen, wenn Sie professionell zur Erzeugung von elektrischen Strom aus Sonnenlicht (z.B. in einer professionellen PV Solarstromanlage) heran gezogen werden, bereits nach nur ca. 5 Jahren (das ist sogar der ungünstigste Fall) amortisiert hat.

Dies bedeutet also, das eine moderne PV Anlage bereits in/nach nur ca. 5 Jahren mehr Energie eingespielt hat, als zu Ihrer Herstellung erforderlich war. Da beim Verkauf der Anlage (verständlicherweise marktwirtschaftliche Interessen) die Verkäuferkette (zu Recht) einen Gewinn verlangen, dauert es natürlich länger, üblicherweise um den Faktor 2 bis 3 länger, bis sich eine solche Anlage auch wirtschaftlich "bezahlt" gemacht hat. Wenn das erreicht ist, also aktuell ca. nach 10 bis 15 Jahren, erzeugt eine solche Anlage VÖLLIG KOSTENLOS ELEKTRISCHE ENERGIE. Und das völlig ohne bewegliche Teile, also nahezu Wartungsfrei, nach heutigen Schätzungen min. für 30 bis 50 Jahre, ehe die Leistung spürbar nachlässt. Gibt es etwas Phantastischeres? Ich denke nein.

Das Potenzial

Wenn man eine kleine PV Zelle, oder auch ein ganzes Modul, z.B. eines, welches zusammen mit anderen auf einem Hausdach montiert wird, betrachtet, mag man denken; das bischen Leistung, wofür soll das ausreichen? Hier muss man aber bedenken, dass diese Art der Stromerzeugung keinen Treibstoff benötigt. Nur die Sonne ist nötig. Wer also einmal eine Anschaffung tätigt, wird im Normalfall über Jahrzehnte den Strom ernten, und zwar ohne weiter dafür bezahlen zu müssen - es sind bereits Anlagen über 30 Jahre im Einsatz, ohne nennenwerten Leistungsverlust. Das Riesige Potenzial steckt also in der Menge. Würde man alleine in Deutschland jedes geeignete Hausdach mit PV Zellen bestücken, würde damit jährlich eine Strommenge von unglaublichen 200 Terawattstunden erzeugt werden.

Wieviel sind 200 Terawattstunden?

1 Terawatt/h sind genau 1.000.000 Gigawatt/h und genau 1.000.000.000 Kilowatt/h. Da ein normaler 4 Personen Haushalt ca. 4000 kW/h jährlich benötigt (besser etwas weniger), kann man damit (mit 1 Terawatt) 250.000 Haushalte mit Strom versorgen. Da wir hier von 200 Terawatt sprechen, sind es somit 50 Millionen Haushalte, die alleine mit dieser Technik in der beschriebenen Weise mit Strom versorgt werden können. Einziges "Problem"; ohne Sonne kein Strom. Wir müssen also die Energie speichern. Dafür sind unsere (schlauen) Ingenieure zuständig!

Ergänzende Links